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光纤光栅传感器在电机风速测试中的应用.pdf
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1、收稿日期2023-05-20作者简介郭小坡(1985),男,工程师,毕业于南阳理工学院机械设计制造及其自动化专业,现从事防爆电气产品检验检测工作。光纤光栅传感器在电机风速测试中的应用郭小坡(南阳防爆电气研究所有限公司,河南南阳 473001)关键词电机内部冷却性能;光纤光栅传感器;风速测量;通风散热摘要介绍了一种用于风速测量的光纤光栅传感器测试系统,利用光纤光栅与弹性薄片结合,采用误差分离的方法实现风速风压参数的分离与测量。中图分类号 TM306 文献标识码 A 文章编号1004-9118(2023)03-0027-05DOI:10.14023/ki.dqfb.2023.03.008Appli
2、cation of Fiber Grating Sensors in Motor Wind Speed TestingGuo Xiao po(Nanyang Explosion Protected Apparatus Research Institute Co.,Ltd.,Nanyang Henan 473008)Key words:internal cooling performance of motor;fiber grating sensors;wind speed measure-ment;ventilation and heat dissipationAbstract:It prop
3、oses a fiber grating sensor testing system for wind speed.Specifically,by com-bining fiber grating with elastic sheets,using error separation method to separate and measure wind speed and pressure.0引言电机产品技术水平高,研发难度大,对可靠性要求苛刻。其冷却系统的研究直接决定其温升、效率和可靠性等性能指标,目前对冷却性能的研究通常采用仿真分析的方法。由于电机加工和装配工艺差异、网格划分、计算误差等多
4、因素的影响,仿真结果与实际情况存在一定的差距。所以 需 要 对 其 冷 却 性 能 进 行 严 格 实 际 测试,为通风散热的仿真结果论证和结构优化提供数据支撑。以前由于受技术限制等多种因素影响,一般的电机实验与测试不需要对电机内部的冷却性能进行测试研究,所以电机冷却性能测试方法与技术研究相比电机其他性能测试研究,起步较晚。目前应用较多的是一些便携式测试设备,进行局部的单一参数测量和研究,用于电机内部冷却性能参数测量的成熟的商品化测试系统则鲜有报道。文献1-4研究了风速测试的方法,文献5-8介绍了光纤传感器在故障检测和温度检测中的研究,文献9-13阐述了光纤光栅传感器的系统设计,而文献14-1
5、5主要研究了光纤光栅在宽阔区域测试中的应用,具有一定的局限性。随着高效、高功率密度电机研制的需要,迫切一种能够适应电机强电磁场、高温等工作环境的风速测试方法与技术研究,为今后电机冷却性能的优化设计提供了技术支持。由于电机内部空间狭小、存在强电磁干扰等不利因素,限制或影响了多种类型传感器的正常使用,无法达成测量目标。所以,对电机内部冷却性能进行实际工况测试,是困扰电机行业多年的技术难题。1光纤光栅测量系统设计161.1电机风速测量方法及光纤传感器设计光纤传感器作为当今发展的主流传感器,其适应性强、应用面广,如速度、温度、压力、电流等72防爆试验光纤光栅传感器在电机风速测试中的应用物理测量领域。防
6、干扰免疫力强、耐化学腐蚀、抗疲劳、防爆系数高、适应用于恶劣环境等优点是光纤光栅传感器得以广泛应用的原因。用于风速测量的光纤光栅传感器,包括引风管、弹性薄片、光纤光栅 A 和光纤光栅 B,其中光纤光栅 A 与光纤光栅 B 对称安装在弹性薄片两侧中心位置,弹性薄片沿引风管径向安装,其中心与引风管的径向直径重合。矩形不是弹性薄片唯一的形状,可以根据实际需求采用其他任意形状,且弹性薄片与引风管的连接可以根据需求采取不同的方式。引风管采用耐高温的刚玉管,内径 15 mm,外径 20 mm,弹性薄片采用铍青铜薄片,尺寸0.5 mm3 mm16 mm,光纤光栅选用杭州珏光物联网科技有限公司的珏光琥珀系列光纤
7、光栅。光纤光栅 A 与光纤光栅 B 用 704 硅胶粘在弹性薄片的两侧中心位置,沿引风管径向开安装孔,孔的尺寸满足弹性薄片安装要求。将粘好光纤光栅的弹性薄片放入引风管的安装孔中并用 704 硅胶密封固定。该传感器采用误差分离的方法获取温度、风压等参数,具体方法如下:传感器工作时,气流吹弹性薄片,对于光纤光栅 A,产生拉伸应变,引起的波长变化量为 f(),由气流温度引起的波长变化量为 f(t),则光纤光栅 A 波长的变化量为:A=f()+f(t)(1)根据传感器结构可知,对于光纤光栅 B,产生压缩应变,引起的波长变化量为-f(),由气流温度引起的波长变化量为 f(t),则光纤光栅 B 波长的变化
8、量为:B=-f()+f(t)(2)将公式(1)与公式(2)相加,可以将气流吹弹性薄片产生应变引起的波长变化量消除,只余下温度引起的波长变化量:T=-f()+f(t)+f()+f(t)=2f(t)(3)由公式(3)可知,该传感器能够测量气流的温度,并且灵敏度提高 2 倍。将公式(1)与公式(2)相减,可以将温度引起的波长变化量消除,只余下应变引起的波长变化量:T=f()+f(t)-(-f()-f(t)=2f()(4)由公式(4)可知,该传感器能够测量弹性薄片上的应变,进而可以得到弹性薄片上由气流产生的压力,通过计算,可得风压与风速,并且灵敏度提高 2 倍。光纤光栅传感器原理图如图 1 所示,其中
9、:1-引风管、2-光纤、3-弹性薄片、4-光纤光栅 A、5-光纤光栅 B、6-传输光纤、7-光纤光栅测量系统、8-光纤光栅解调仪、9-计算机、10-光纤耦合器。图 1光纤光栅传感器原理图由于电机工作时存在流动空气,温度较高且通风道内部气流不稳定,传感器受电机通风道尺寸限制等难题,因此拟选用皮托管风速测量方法来实现电机内部风道风速测量。且根据测试安装适配需求,与相关传感器供应商协同,设计出适合电机测试的风速风压传感器。耐高温、风速测量范围广、可靠性强、组合灵活是该方案的优点,经过适应性改进研究,能够满足电机风速测试需求。1.2系统总体方案设计系统总体方案如图 2 所示。拟采用多个皮托管对电机多个
10、部位的风速进行传感,将有关信号传递到风压风速测量模块,该模块通过测量总压与静压等参数,经过计算得到风压风速数值,并将测量值转换为数字信号,通过 RS485 接口,将多通道风压风速测量模块的测量数据传送到工控机,工控机将对测量数据进行滤波、存储、显示、等处理。图 2系统总体方案示意图1.3风速风压传感模块为了实现对风压风速的传感采用皮托管装82电气防爆 2023 年 6 月第 3 期置,如图 3 所示。皮托管是测量气流总压的一种装置。虽然用热线式风速仪、超声波流量计等可以直接测量气流风速,但是这些类型传感器存在体积大、适用温度范围小等缺点,不能满足电机内部的工作环境和安装要求。因此,使用皮托管检
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